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Die Erfindung betrifft einen elektro-pneumatischen Umformer zur Umsetzung eines elektrischen Steuersignals in einen adäquaten Steuerdruck, wie er regelmäßig in der Prozessindustrie zur Betätigung pneumatischer Stellantriebe eingesetzt wird.
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Derartige pneumatische Stellantriebe sind einschlägig bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2007 019 045 A1 ausführlich beschrieben. In Abhängigkeit von einem pneumatischen Steuerdruck wird ein mechanisches Stellglied an eine vorgegebene Position verfahren. Als Stellglied sind Ventile, Klappen oder andere den Durchfluss eines Prozessmediums regulierenden Einrichtungen geeignet.
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Der pneumatische Stellantriebe wird regelmäßig durch einen Stellungsregler bedient. Stellungsregler für pneumatische Stellantriebe sind ausgebildet, ein elektrisches Steuersignal, das den Sollwert für die Position abbildet, in einen adäquaten Steuerdruck umzusetzen. Der Sollwert wird dabei regelmäßig als eingeprägter Strom von 0/4..20 mA über eine Zweidrahtleitung übertragen. Der Umsetzung des Stroms in einen adäquaten Steuerdruck dient der elektro-pneumatische Umformer.
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Es ist bekannt, den elektro-pneumatischen Umformer als Düse-Prallplattensystem auszubilden. Dabei wird der Druck der Steuerluft mittels dieses Düse-Prallplattensystem entsprechend einem elektrischen Signal verändert. Hierzu wird über einen Druckregler zunächst die Steuerluft auf einen konstanten Druck geregelt. Anschließend strömt diese Steuerluft durch eine Düse gegen eine Prallplatte. Mit Verstellen des Abstandes der Prallplatte zur Düse kann der Durchfluss und somit auch der Staudruck verändert werden. Aus der
DE 10 2006 059 938 B3 ist bekannt, den Abstand der Prallplatte zur Düse des Düse-Prallplattensystem durch eine Tauchspulanordnung einzustellen. Ein derartiger elektro-pneumatischen Umformer weist eine Vielzahl komplexer mechanischer Bauteile auf, deren Herstellung sehr aufwendig und damit teuer ist.
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Aus der
EP 1758 007 A1 ist ferner bekannt, den elektro-pneumatischen Umformer mit piezoelektrischen Biegewandlern auszustatten, welche empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen sind und daher nur intermittierend bewegt werden können.
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Schließlich ist aus der
DE 20 2011 108 832 U1 ein elektro-pneumatischer Umformer mit einer für sich bekannten Düsenanordnung bekannt, bei dem die Düse von einer Magnetspule umschlossen ist und der Düsenöffnung eine federbelastete, magnetisierbare Kugel vorgelagert ist, wobei die Düsenöffnung als Sitz für die Kugel ausgebildet ist und das elektrische Steuersignal an die Magnetspule angeschlossen ist.
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Allen bekannten elektro-pneumatischen Umformern nach dem Düse-Prallplattenprinzip ist gemein, dass die Düse so angeordnet ist, dass sie den Querschnitt Q
A der Abluftöffnung eines Volumens steuert, wobei der Querschnitt Qv zum Versorgungsdruck P
V konstant ist. Diese Anordnungen sind mit dem prinzipiellen Nachteil behaftet, dass sich der gesteuerte Druck P
S in dem Volumen nicht von 0 bar an verändern läßt, da sich dieser gesteuerte Druck P
S nach folgender Gleichung einstellt, wobei der Querschnitt Q
A dem elektrischen Steuersignal folgt:
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In der Praxis soll der Luftverbrauch so gering wie möglich sein, daher werden geringe Querschnitte QV und QA gewählt. Die Austrittsgeschwindigkeit der Luft an der Düse darf nicht zu groß werden. Unter Berücksichtigung praktisch realisierbarer Querschnitte QV und QA ist der gesteuerte Druck PS in dem Volumen etwa von 20% bis 100% des Versorgungsdrucks PV einstellbar.
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Zur Steuerung eines nachgeschalteten Schaltblocks oder Boosters ergibt sich durch die Untergrenze des gesteuerten Druck Ps in dem Volumen von Ps ~ 0,2 Pv das Problem, die Ventile für einen großen Druckbereich von 2..10 bar auszulegen. In der Regel wird daher entweder aus dem Versorgungsdruck Pv durch einen Druckregler ein konstanter Vordruck erzeugt oder ein sogenanntes pneumatisches Relais verwendet. In beiden Fällen ist eine zusätzliche Baugruppe notwendig, um versorgungsdruckabhängig zu sein.
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Systeme die einen Regelkreis verwenden, um die Drift der Arbeitspunkte zu kompensieren, stoßen bei 2..10 bar an ihre Grenzen, da minimal steuerbare Druck bei 10 bar dem maximalen Druck bei 2 bar entsprechen. Der gesteuerte Druck Ps kann zwischen 20..100% des Versorgungsdrucks Pv ausgesteuert werden. Bei einem Versorgungsdruck Pv =10bar ist der gesteuerte Druck Ps also zwischen 2..10bar und bei einem Versorgungsdruck Pv =2bar zwischen 0,4..2bar.
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Am Arbeitspunkt der nachgeschalteten Ventilgruppe sind alle Ventile geschlossen; bei einer Erhöhung des gesteuerten Druck Ps öffnet die eine Gruppe von Ventilen, bei Verringerng des gesteuerten Druck Ps die andere Gruppe von Ventilen. Ein Arbeitspunkt von 1 bar ist ohne Druckregler bei einen Versorgungsdruckbereich Pv =2..5bar einstellbar. Darüber hinaus ist ein separater Druckregler nötig.
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Aus der
DE 10 2008 055 854 A1 geht ein gattungsgemäßer elektro-pneumatischer Umformer hervor, welcher mit einem pneumatischen Druckregelventil einen Steuerdruck in einer Druckkammer mittels einer Reglermembran regelt. Dabei wird die Reglermembran von einer Regelfeder und dem Steuerdruck im Kräftegleichgewicht gehalten. Die Reglermembran ist derart mit einem Steuerventil gekoppelt, dass dieses in Abhängigkeit vom tatsächlichen Steuerdruck öffnet oder schließt. Dabei ist die Vorspannkraft der Regelfeder einstellbar.
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Die
DE 10 2006 059 938 B3 offenbart im Rahmen eines Verfahrens zur Diagnose eines mit einer vorzugsweise pneumatischen Hilfsenergie angetriebenen Stellorgans, bei welchem das als elektro-pneumatischer Umformer ausgebildete Stellorgan als Stellglied eines Regelkreises fungiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektro-pneumatischen Umformer anzugeben, dessen Druck PA in dem Volumen von 0 bar an einstellbar ist und dessen Herstellung mit geringem Aufwand verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einer für sich bekannten elektro-pneumatischen Umformer mit einer steuerbaren Düsenanordnung aus, deren Düsenöffnung in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal proportional geöffnet oder verschlossen wird.
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Erfindungsgemäß weist das Volumen des gesteuerten Druck PS eine Zuluftöffnung variablen Querschnitts QV zum Versorgungsdruck PV und einen Abluftöffnung konstanten Querschnitts QA auf, wobei der minimale variable Querschnitt QVmin = 0 ist und der maximale variable Querschnitt QVmax >> QA ist.
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Der variablen Querschnitts QV zum Versorgungsdruck PV ist durch eine steuerbare Düsenanordnung in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal einstellbar.
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Durch das Verhältnis von abströmender und zuströmender Luft stellt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung der gesteuerte Druck P
S nach folgender Gleichung ein, wobei der variable Querschnitt Qv dem elektrischen Steuersignal folgt:
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Vorteilhafterweise wird bei einem minimalen variablen Querschnitt Qv = QVmin = 0 bei verschlossener Düsenöffnung auch der gesteuerte Druck PS = 0.
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Beim Einsatz des erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Umformers zur Ansteuerung eines Schaltblocks oder Boosters kann durch eine Regelung der gesteuerte Druck PS unabhängig vom Versorgungsdruck PV eingestellt werden, soweit letzterer vorgegebenen Mindestanforderungen genügt. Vorteilhafterweise ist der gesteuerte Druck PS von 0 bar an steuerbar. Damit ist es möglich, den Arbeitspunkt für die nachfolgende Ventilgruppe auf 600mbar zu legen. Bei einer ausreichenden Auflösung des Ansteuersignals der Prallplatte, kann so die Abhängigkeit vom Versorgungsdruck PV nachgeführt werden.
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Die Information für die Nachführung kann aus dem Versorgungsdruck PV selbst, der Ventilpositionen oder den Ventildurchfluss gewonnen werden.
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Vorteilhafterweise verzichtet der erfindungsgemäße elektro-pneumatische Umformer auf einen Druckregler zur Einstellung eines konstanten Versorgungsdrucks PV.
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Darüber hinaus entfällt die aufwändige Kalibrierung des bekannten elektro-pneumatischen Umformers.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kompensation der Versorgungsdruckabhängigkeit, der Temperaturdrift sowie der Arbeitspunkteinstellung in die elektrischen Ansteuerung des elektro-pneumatischen Umformers integrierbar sind.
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Vorteilhafterweise zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen sehr einfachen Aufbau bestehend aus wenigen Bauteilen, die einfach herstellbar sind.
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In der Gesamtheit der vorstehenden Maßnahmen und Vorteile ist der erfindungsgemäße elektro-pneumatische Umformer durch einen geringen materiellen Aufwand und einen ebenso geringen Inbetriebnahmeaufwand gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Umformers mit einem federbelasteten Magnetventil
- 2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Umformers mit einer Prallplatte
- 3 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Umformers mit einem Magnetventil mit Druckausgleich
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In der 1 ist ein elektro-pneumatischer Umformer prinzipiell dargestellt. Der elektro-pneumatische Umformer umfasst ein Volumen 4, das eine Zuluftöffnung variablen Querschnitts Qv zum Versorgungsdruck PV und einen Abluftöffnung konstanten Querschnitts aufweist. Die Zuluftöffnung ist durch eine druckmittelbestromte Düse 10 gebildet, die von einer Magnetspule 6 umschlossen und deren Düsenöffnung 9 ein Permanentmagnet 3 vorgelagert ist. Die Düsenöffnung 9 ist als Sitz für den Permanentmagneten 3 ausgebildet. Der Permanentmagnet 3 ist durch eine vorgespannte Feder 2 belastet, deren Kraftwirkungsrichtung mit der Längsachse der Düse 10 fluchtet und die ihn auf die Düsenöffnung 9 drückt. Ferner ist der Permanentmagnet 3 in einer Führung 1 in der Längsachse der Düse 10 verschieblich gelagert. Diese Führung 1 ist ausgebildet, außer dem Permanentmagneten 3 auch die Feder 2 aufzunehmen und zu führen. Der Düse 10 ist eine Zuluftdrossel 7 vorgelagert, durch die die Düse 10 mit der Zuluft 8 bestromt wird. Die Zuluft 8 weist den Versorgungsdruck PV auf.
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Die Magnetspule 6 weist Anschlüsse 5 auf, die mit einem elektrischen Steuersignal verbunden sind.
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Die Abluftöffnung des Volumens 4 ist mit einer Abluftdrossel 12 konstanten Querschnitts QA ausgestattet, durch die die Abluft 13 aus dem Volumen 4 entweicht.
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Innerhalb des Volumens 4 stellt sich durch das Verhältnis von Abluft 13 und Zuluft 8 ein gesteuerter Druck P
S nach folgender Gleichung ein, wobei der variable Querschnitt Qv dem elektrischen Steuersignal folgt:
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Im weiteren wird zunächst von einer stromlosen Magnetspule 6 ausgegangen. Durch die Kaft der Feder 2 wird der Permanentmagnet 3 auf die Düsenöffnung 9 gedrückt. Der variable Querschnitt QVmin ist Null. Die Luft im Volumen 4 ist durch die Abluftdrossel 12 entwichen. Der gesteuerte Druck PS im Volumen 4 ist unabhängig vom Versorgungsdruck PV Null bar.
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Sobald die Magnetspule 6 durch das elektrische Steuersignal polaritätsrichtig bestromt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf den Permanentmagneten 3 in Richtung der Feder 2. Der Permanentmagnet 3 hebt von der Düsenöffnung 9 ab und gibt einen Querschnitt QV > 0 frei, durch den das Volumen 4 belüftet wird. Ein Teil der Zuluft 8 entweicht durch die Abluftdrossel 12 als Abluft 13. Innerhalb des Volumens 4 stellt sich durch das Verhältnis von Abluft 13 und Zuluft 8 ein gesteuerter Druck PS nach oben genannter Gleichung ein.
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Aus praktischen Gründen sind Querschittsverhältnisse auf QV / QA ~ 4 begrenzt. Daraus ergibt sich in Abhängigkeit vom elektrischen Steuersignal gesteuerter Druck PS von Null bar bis 0,8 PV.
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Wird dieses System eingesetzt um einen Schaltblock oder einen Booster anzusteuern, kann durch eine Regelung des gesteuerter Drucks PS für jeden Versorgungsdruck PV ein Druck von 0-80% PV eingestellt werden. Dadurch lässt sich eine Kalibrierung oder zusätzliche Baugruppen, um unabhängig vom Versorgungsdruck PV zu werden, vermeiden.
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Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 2 ein elektro-pneumatischer Umformer prinzipiell dargestellt, der das erfindungsgemäße Prinzip des gesteuerten Volumens 4 mit einer für sich bekannten Düse-Prallplatten-Anordnung realisiert. Dazu ist die druckmittelbestromte Düse 9 durch eine bewegliche Prallplatte 14 in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignal verschließbar. Die Zuluftöffnung des Volumens 4 weist einen variablen Querschnitts Qv zum Versorgungsdruck PV in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignal auf. Die Abluftöffnung des Volumens 4 ist mit einer Abluftdrossel 12 konstanten Querschnitts QA ausgestattet, durch die die Abluft 13 aus dem Volumen 4 entweicht.
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Die Prallplatte 14 ist durch eine Magnetspule 6 mit Anschlüssen 5 angesteuert, die mit dem elektrischen Steuersignal bestromt sind.
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Innerhalb des Volumens 4 stellt sich durch das Verhältnis von Abluft 13 und Zuluft 8 ein gesteuerter Druck PS nach der vorstehenden Gleichung ein, wobei der variable Querschnitt QV dem elektrischen Steuersignal folgt.
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Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 3 ein elektro-pneumatischer Umformer mit einem Volumen 4 prinzipiell dargestellt, das eine Zuluftöffnung variablen Querschnitts QV zum Versorgungsdruck PV und einen Abluftöffnung konstanten Querschnitts aufweist. Die Zuluftöffnung ist durch eine druckmittelbestromte Düse 10 gebildet, die von einer Magnetspule 6 umschlossen und deren Düsenöffnung 9 ein Permanentmagnet 3 vorgelagert ist. Die Düsenöffnung 9 ist als Sitz für den Permanentmagneten 3 ausgebildet.
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Der Permanentmagnet 3 ist in einer Führung 1 in der Längsachse der Düse 10 verschieblich gelagert. Diese Führung 1 ist ausgebildet, den Permanentmagneten 3 aufzunehmen und zu führen. Die Führung 1 fluchtet mit der Längsachse der Düse 10 und ist becherförmig mit einer offenen und einer geschlossenen Seite ausgebildet. Die geschlossene Seite der Führung 1 ist über einen Kanal 15 mit mit der Zuluft 8 verbunden.
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Ferner weist der Permanentmagnet 3 an seiner der Düse 10 abgewandten Seite einen Querschnitt auf, der größer ist als der Querschnitt der Düsenöffnung 9.
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Der Düse 10 ist eine Zuluftdrossel 7 vorgelagert, durch die die Düse 10 mit der Zuluft 8 bestromt wird. Die Zuluft 8 weist den Versorgungsdruck PV auf.
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Die Magnetspule 6 weist Anschlüsse 5 auf, die mit dem elektrischen Steuersignal verbunden sind.
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Die Abluftöffnung des Volumens 4 ist mit einer Abluftdrossel 12 konstanten Querschnitts QA ausgestattet, durch die die Abluft 13 aus dem Volumen 4 entweicht.
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Innerhalb des Volumens 4 stellt sich durch das Verhältnis von Abluft 13 und Zuluft 8 ein gesteuerter Druck PS nach der vorstehenden Gleichung ein, wobei der variable Querschnitt Qv dem elektrischen Steuersignal folgt.
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Im weiteren wird zunächst von einer stromlosen Magnetspule 6 ausgegangen. Durch die Querschnittsdifferenz zwischen der der Düse 10 abgewandten Seite des Permanentmagneten 3 und der Düsenöffnung 9 wirkt eine eine größere Kraft auf die der Düse 10 abgewandten Seite des Permanentmagneten 3, wodurch der Permanentmagnet 3 die Düse 10 verschließt.
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Sobald die Magnetspule 6 durch das elektrische Steuersignal polaritätsrichtig bestromt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf den Permanentmagneten 3 in Richtung der der Düse 10 abgewandten Seite des Permanentmagneten 3. Der Permanentmagnet 3 hebt von der Düsenöffnung 9 ab und gibt einen Querschnitt Qv > 0 frei, durch den das Volumen 4 belüftet wird. Ein Teil der Zuluft 8 entweicht durch die Abluftdrossel 12 als Abluft 13.
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Aus praktischen Gründen sind Querschittsverhältnisse auf QV / QA ~ 4 begrenzt. Daraus ergibt sich in Abhängigkeit vom elektrischen Steuersignal gesteuerter Druck PS von Null bar bis 0,8 PV.
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Wird dieses System eingesetzt um einen Schaltblock oder einen Booster anzusteuern, kann durch eine Regelung des gesteuerter Drucks PS für jeden Versorgungsdruck PV ein Druck von 0-80% PV eingestellt werden. Dadurch lässt sich eine Kalibrierung oder zusätzliche Baugruppen, um unabhängig vom Versorgungsdruck PV zu werden, vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führung
- 2
- Feder
- 3
- Permanentmagnet
- 4
- Volumen
- 5
- Anschluss
- 6
- Magnetspule
- 7
- Zuluftdrossel
- 8
- Zuluft
- 9
- Düsenöffnung
- 10
- Düse
- 11
- Schaltblock
- 12
- Abluftdrossel
- 13
- Abluft
- 14
- Prallplatte
- 15
- Kanal
